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Alliages nanocristallins et stabilité de la taille nano-grain
 

Alliages nanocristallins et stabilité de la taille nano-grain

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Les alliages de nanocristalline sont très demandés dans des industries telles que les semi-conducteurs, les biocapteurs et l'aérospatiale en raison de leurs propriétés physiques et mécaniques améliorées. Les alliages de moins de 100 nanomètres sont appelés alliages de nanocristalline.

Pour produire des pièces industrielles avec ces alliages, les poudres de nanocristalline sont traitées à l'aide d'une température et d'une pression élevées combinées pour développer près de 100 pour cent de matériaux en vrac denses. Les nanograins commencent cependant à croître à des températures élevées, ce qui fait perdre au matériau ses propriétés améliorées. Pour lutter contre cette émission, il faut obtenir une liaison interparticule à haute densité avec une porosité minimale tout en minimisant la perte de la taille du grain à l'échelle nanométrique.

Cette vidéo révèle une nouvelle approche pour améliorer la stabilité de la taille nanograin de l'alliage Fe14Cr4Hf à des températures élevées.

Les nanomatériaux ont tendance à être instables, ce qui entraîne une augmentation de la taille du grain à des températures élevées. Il en résulte que le matériau perd ses propriétés mécaniques supérieures. L'instabilité des nanomatériaux est le résultat de deux facteurs qui font que le matériau va bien au-delà d'une condition d'équilibre. La taille du grain et le traitement mécanique conduisent à ces propriétés thermodynamiques altérées. Les grains plus petits dans les nanomatériaux ont plus de limite de grain par volume que les grains plus grands et donc une énergie libre de gibbs plus élevé.

Les techniques d'alliage mécanique utilisées pour produire ces matériaux augmentent également l'énergie disponible pour stimuler la croissance du grain. L'instabilité thermodynamique causée par ces facteurs entraîne le mouvement des limites des grains, en particulier à des températures élevées, ce qui provoque la croissance des grains. Pour être utiles, des nanomatériaux doivent être développés qui sont stables à haute température. Une façon de stabiliser la taille du grain est d'introduire des éléments d'alliage et d'éliminer l'oxygène de la solution solide. Lorsque l'oxygène est présent, les éléments d'alliage forment des oxydes dans les grains empêchant tous les éléments d'alliage d'atteindre les limites du grain. En éliminant l'oxygène, les éléments sont libres de se séparer des limites des grains, ce qui stabilise la taille des nanograins.

Des études ont montré que si un stabilisateur non-équilibre comme le hafnium est introduit dans un alliage de fer nanocristallique de dix chromes, il se sépare des limites du grain à des températures élevées. Cela diminue l'énergie sans gibbs des limites de grain ayant pour résultat un état d'équilibre métastatique et donc des matériaux nanocristallins plus stables. Il a été constaté que l'élimination de l'oxygène améliore encore cette stabilisation.

Pour comparer la stabilité de la taille des nanograins à différentes températures, les échantillons sont traités à la chaleur sur une gamme de températures. La taille des grains est ensuite analysée à l'aide d'images de microscopie électronique de transmission et de diffraction des rayons X. L'équation de Scherrer est utilisée pour calculer la taille du grain en fonction des résultats de diffraction des rayons X. L'utilisation de cette équation, la taille des nanograins est liée à l'élargissement d'un pic dans le modèle de diffraction.

Maintenant que vous comprenez les principes qui sous-tendent la stabilisation des matériaux nanocristallins, voyons comment cette méthode est appliquée en laboratoire.

Utilisez des matériaux en vrac à faible teneur en oxygène de haute pureté en fer, en chrome et en hafnium enfermés dans une boîte à gants pour minimiser la contamination par l'oxygène. Chargez 6,4 et 7,9 mm 440c boules de mouture en acier inoxydable et de la poudre dans un flacon en acier inoxydable créant un rapport boule à poudre de dix pour un. Le flacon scellé doit être conservé sous atmosphère protectrice dans la boîte à gants.

Transférer le flacon à la machine de broyage de boules de spécifications à haute énergie. Effectuer le broyage de boules pendant 20 heures. Remettre le flacon dans la boîte à gants et transférer la poudre moulue dans un petit flacon de verre. Scellez le flacon de verre pour l'annealing. Anneal la balle moulu Fe14Cr4Hf pendant 60 minutes à des températures comprises entre 500 et 1200 degrés Celsius à des marches de 100 degrés Celsius. Exécuter l'analyse XRD de plusieurs échantillons de chaque température d'annealing ainsi que des échantillons du matériau moulu. Utilisez un colorant de cinq millimètres et poinçonnage avec une presse hydraulique pour presser la poudre pour l'analyse microscopique.

Maintenant que vous appréciez l'importance des nanocristaux maintenant leur taille de grain à haute température nous allons jeter un oeil à quelques applications où ils peuvent être utilisés. La durée de vie des avions peut être augmentée en utilisant des matériaux nanocristallins. L'amélioration de la durée de vie, de la résistance et des températures d'exploitation plus élevées entraîne une augmentation significative de la vitesse et de l'efficacité énergétique de l'avion.

Ces matériaux sont également des candidats parfaits pour les composants des engins spatiaux qui doivent fonctionner à des températures plus élevées. Par exemple, les allumeurs embarqués sur les satellites développés à partir de matériaux conventionnels peuvent s'user rapidement sans possibilité de réparation. Alors que les nanomatériaux dureront plus longtemps prolonger la durée de vie de la mission.

Vous venez de regarder l'introduction de Jove à la stabilité des nanocristaux. Vous devez maintenant comprendre la nécessité de maintenir la taille du grain à une température élevée, les façons dont il est accompli et comment la taille du grain est mesurée.

Merci d'avoir regardé.

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